如夢似幻的物質第六態

我們的地球雖然身為宇宙的一員，但在浩瀚的宇宙中卻顯得孤傲不群，像一座孤獨飄零的島嶼。不要說它誕生了宇宙中極為罕見的智慧生命(而這樣的生命在宇宙中其他地方卻難以生存)，就是它上面的物質形態特別的與眾不同。地球上司空見慣的物質三態——固態、液態、氣態，在宇宙中卻極為罕見，物質第四態——等離子態，是宇宙中極多的狀態。更有意思的是，當我們讓物質不斷地冷下去、冷下去……不可思議的新物質形態又出現了。這種在地球上只能出現于條件嚴格的實驗室中的物質形態，會在宇宙的某個角落隨意飄蕩嗎?

從物質三態到第四萬態

物質的三態之間的轉換很早就被人類認識到了，它們是不同溫度下的狀態，由所謂的冰點和熔點決定各自產生轉換的溫度。100多年前，人類對物質狀態的認識基本上僅只于此。雖然亞里土多德在2000多年就發現世界的組成除了這三態以外還包括火，但他也不清楚火究竟是一種什么物質?其實這就是，物質的第四種狀態——等離子體的一種表現形式。

如果把氣體持續加熱幾千甚至卜萬度時，物質會呈現出一種什么樣的狀態呢?這時，氣體原子的外層電子會擺脫原子核的束縛成為自由電子，失去外層電子的原子變成帶電的離子，這個過程稱為電離。所謂“電離”，其實就是電子離開原子核的意思。除了加熱能使原子電離(熱電離)外，還可通過電子吸收光子能量發生電離(光電離)，或者使帶電粒子在電場中加速獲得能量與氣體原子碰撞發生能量交換，從而使氣體電離(碰撞電離)，或者使帶電粒子在電場中加速獲得能量與氣體原子碰撞發生能量交換，從而使氣體電離(碰撞電離)。發生電離(無論是部分電離還是完全電離)的氣體稱之為等離子體(或等離子態)。等離子體的獨特行為與固態、液態、氣態截然不同，因此稱之為物質第四態。

等離子體的存在機理是怎樣的呢?物質是由分子或者原子組成的，而分子也是由原子組成。原子都由原子核和繞核高速運動的電子構成。原子核帶正電，電子帶負電，正、負是數量相等，整個原子對外不顯電性。電子之所以繞核運動，因為它的能量不足以掙脫核的束縛力。如果不停地給物質加熱，當溫度升高到數十萬度甚至更高，或者用較高電壓的電激，電子就能獲得足夠逃逸的能量，從原子核上剝落下來，成為自由運動的電子。這就像一群下課后的學生跑到操場上隨意玩耍一樣。這時物質就成為由帶正電的原子核和帶負電的電子組成的一團勻漿，人們戲稱它“離子漿”。這些離子漿中正負電荷總量相等，因此又叫等離子體。

超級大原子——物質第五態

如果物質不斷冷下去、冷下去……一直冷到不能再冷下去，比如說，接近絕對零度(-273．16℃)吧，在這樣的極低溫下，物質又會出現什么奇異的狀態呢?

這時，奇跡出現了——所有的原子似乎都變成了同一個原子，再也分不出你我他了!這就是物質第五態——玻色一愛因斯坦凝聚態(以下簡稱“玻愛凝聚態”)。

實現玻愛凝聚態的條件極為苛刻和矛盾：一方面需要達到極低的溫度，另一方面還需要原子體系處于氣態。極低溫下的物質保持氣態呢？這實在令無數科學家頭疼不已。在玻色一愛因斯坦凝聚理論提出71牛之后的1995年6月，才有兩名美國利‘學家康奈爾、維曼以及德國科學家克特勒分別在銣原子蒸氣中第一次直接觀測到了玻愛凝聚態。這三位科學家也因此而榮膺2001年度諾貝爾物理學獎。此后，這個領域經歷著爆發性的發展，目前世界上已有近30個研究組在稀薄原子氣中實現了玻愛凝聚態。

玻愛凝聚態有很多奇特的性質，請看以下幾個方面：

這些原子組成的集體步調非常一致，因此內部沒有任何阻力。激光就是光子的玻愛凝聚，在一束細小的激光里擁擠著非常多的顏色和方向一致的光子流。超導和超流也都是玻愛凝聚的結果。

玻愛凝聚態的凝聚效應可以形成一束沿一定方向傳播的宏觀電子對波，這種波帶電，傳播中形成一束宏觀電流而無需電壓，

原子凝聚體中的原子幾乎不動，可以用來設計精確度更高的原子鐘，以應用于太空航行和精確定位等。

玻愛凝聚態的原子物質表現了光子一樣的特征正是利用這種特征，前年哈佛大學的兩個研究小組用玻色一愛因斯坦凝聚體使光的速度降為零，將光儲存了起來。

玻愛凝聚態的研究也可以延伸到其他領域，例如，利用利用磁場調控原子之間的相互作用，可以在物質第五態中產生類似于超新星爆發的形象，甚至還可以用玻色一愛因斯坦凝聚體來模擬黑洞。

隨著對玻受凝聚態研究的深入，又一次徹底的技術革命的號角已經吹響。

突破第五態，創造第六態

物質形態到些結束了嗎？還沒有。

在過去身居年內，玻愛凝聚態只能由一類原子形成的，什么是費米子？會么是玻色子？我們需要先走入由基本粒子組成的原子世界。

很早以前，人們就知道原于是由電子和原子核組成，而原子核又由質子和中子組成。20世紀初，物理學家們發現了正電子和光子，開始探尋更小的粒子，發現原子核還可以分成更小的“小不點兒”：中微子、介子、超子、變子等等，物理學家把它們統稱為“基本粒子”。科學家把基本粒子分為玻色子和費米子兩大類。費米子是像電子一樣的粒子，有半整數自旋(如1／2，3／2，5／2等)；而玻色于是像光子一樣的粒子，有整數自旋(如0，1，2等)。這種自旋差異使費米子和玻色子是完全不同的特性。沒有任何兩個費米子能有同樣的量子態：它們沒有相同的特性，也不能在同一時間處于同一地點；而玻色子卻能夠具有相同的特性。

基本粒子中所有的物質粒子都是費米子，是構成物質的原材料(如輕子中的電子、組成質子和中子的夸克、中微子)；而傳遞作用力的粒子(光子、介子、膠子、w和Z玻色于)都是玻色于。

玻色子在我們的宇宙中占了一半的份額，剩下一半是由費米子組成的物質世界。玻愛凝聚態只能由玻色子來形成實在是太遺憾了。那么費米子能不能形成玻愛凝聚態呢?

當前世界，粒子與凝聚態物理學領域的頂尖物理學家夢寐以求的這種物質狀態就是所謂的“費米子”凝聚態，費米子凝聚態，從語意分析來說，費米子的物理含義是不能被聚集在一個量子基態的粒子，而凝聚態則表示粒子沉積在一個能量級別上。這個名詞本身是一對矛盾，但奇妙的就是現實與理論的矛盾沖突被天才的技巧平復了。

解決這個矛盾首先來自超導現象的啟發。巴丁、庫珀和施里弗(他們共同榮獲1972諾貝爾物理學獎)提出一個對金屬的超導進行解釋的理論——BCS理論，其基本思想是，在極低溫下的金屬中的電子費米子，會彼此結合成對，這種電子對稱為庫柏對。結合成庫柏對的電子費米子表現出玻色子的特征，這樣，物理學家就找到了一個制造“費米子凝聚態”的方法。他們將費米子成對轉變成玻色子，兩個半整數自旋組成一個整數自旋，費米子對就起到了玻色于的作用，所有氣體突然冷凝至玻愛凝聚態。

既然電子可以這樣行事，為什么原子不可以呢?如何將這些信奉“終身獨立”的費米子勸說組成庫柏對，進而形成凝聚態呢?他們采用了個魔術般的磁場，50納開氏溫度(與絕對溫度只差0．00000005K)下當磁場達到某一個特定的頻率時，超冷的費米子氣體開始發生核磁共振，好像在一場交誼舞中慢慢地尋找各自的舞伴。此時磁場快速撤離，外圍尚未成對的費米子囚失去束縛迅速散開，攜帶走熱量導致中心部位進一步冷凝。一個奇妙的現象終于發生了：穿過費米氣體中心的探測光波像打到一個晶體上一樣發生了衍射，而氣體是不會對光波產生衍射的。德博拉·吉恩相信：一種神奇的固體物質一定已經誕生了。后來的原子陣列顯微觀測發現，冷凝體中約50萬個鉀原子費米子確實形成了一對對的庫柏對。

費米子疑聚態與超導中的電子費米子冷凝體不一樣的是，前者是實實在在的原子冷凝，后者是沒有質量的虛空的電子冷凝；前者是一個可見的原子超流體，后者則是金屬中的電子超流體。科學家們把這樣的物質狀態又叫做超導體與玻愛冷凝體中的中間狀態。

費米子凝聚態與超導體有哪些不同呢?首先，費米冷凝體所使用的原子比電子重得多，其次是原子對之間吸引力比超導體中電子對的吸引力強得多，在同等密度下，如果使超導體中電子對的吸引力達到費米體中原子對的程度，制造出常溫下的超導體立即可以實現。超冷氣體中形成費米體為研究超導的機理提供了一個嶄新的物質工具，因此，這項成果有助于下一代全新超導體的誕生。而下一代超導體技術可在電能輸送、超導磁懸浮列車、超導計算機、地球物理勘探、生物磁學、高能物理研究等眾多領域和學科中大顯身手。

當然，現在的技術并不能使所有費米子都可以發生費米冷凝，而且所獲得的冷凝體還相當脆弱——比玻璃還要脆!但這只是技術問題。